2024年专家观点 | 高质量开发利用让地热产业“沸腾”
地热资源是重要的非碳基可再生能源,实现地热能科学、高效、可持续开发,对保障国家能源安全、加快实现“双碳”目标具有重要的战略意义和现实意义。世界各国普遍将地热资源视为重要的接替资源,高度重视其开发利用,并将包括干热岩资源在内的深层地热资源开发作为重点方向,持续加大研发投入。2022年,国家发展改革委等九部门发布了《“十四五”可再生能源发展规划》,提出到2025年,地热能供暖等非电利用规模达到6000万吨标准煤以上。地热产业规模将持续快速扩大,向资源品质更高、应用范围更广的深层地热资源领域进军是必然趋势。
美欧等发达国家通过大量的地热领域国家专项计划和现场试验工程,初步预测了深层热储发育规律,研发了钻探提速技术和微地震、光纤、高温示踪剂等联合监测技术,探索了非常规油气压裂技术在干热岩井中的应用和改进。 美国启动地热能前沿瞭望台研究计划和增强型地热系统联合实验室项目。美国于1972年起在新墨西哥州芬顿山进行深层干热岩钻探、现场注采及微地震监测试验。在地热资源有利区优选以及增强型地热系统专项研究的基础上,美国能源部于2014年启动了地热能前沿瞭望台研究计划(FORGE)和增强型地热系统联合实验室(EGSCollab)项目,累计投入超过5亿美元并持续滚动支持。FORGE等系列计划旨在解决干热岩资源开发中的钻探、压裂、长期开发等方面存在的技术瓶颈问题,形成经济有效的热储改造和监测技术,促进干热岩资源长期开发。EGSCollab项目旨在提升对干热岩热储压裂效果认识、验证热流固化(THMC)耦合模拟方法以及研制新型监测工具。得益于关键技术研发和大规模应用,美国目前是全球地热发电第一大国和地热直接利用第二大国。 欧盟启动深层地热技术与创新平台计划。冰岛自2000年启动了深部钻探工程(IDDP),进行超临界地热资源的钻探。该计划2016年在冰岛雷克雅未克实施的IDDP-2井深4659米,已证实钻遇温度427摄氏度、压力34兆帕的超临界地热流体,若能成功开发有望将单井的发电能力提升10倍。欧盟2013年以来启动了欧洲深层地热技术与创新平台计划(ETIP-DG),并在“地平线”(Horizon)计划中持续资助了一批地热专项基金,规划2020~2030年总预算超18亿欧元。ETIP-DG等系列计划旨在提升深层地热资源开发利用效率、降低开发利用成本、增加开发利用深度等。2019年ETIP-DG发布《深层地热能实施路线图》,提出2050年深层地热能可满足欧洲电力需求的50%和供热需求的80%,有望改写欧盟现有电力供应结构。 高水平科技合作发挥重要作用。一是美国地热能研发具有深厚的科研基础和广泛的合作网络。例如,FORGE项目和EGSCollab项目不仅涵盖美国能源部下属的劳伦斯伯克利、桑迪亚、劳伦斯利弗莫尔等多个国家实验室,还表明跨实验室的合作模式在推动科技创新和应用中的重要作用。二是欧洲在地热能技术的研发与合作上也不甘落后。德国亥姆霍兹联合会、法国国家科学研究中心、冰岛地质调查局等都是地热能研发的“领头羊”。三是通过跨国界的科技合作项目,展示了国际合作在解决复杂技术挑战和推广地热能应用中的重要性。 油气行业在开发地热中具有先天的优势。目前,中国石油、中国石化、中国海油均把地热能开发利用纳入公司的主营业务,加快地热能产业发展的节奏。 我国地热资源丰富,资源量约占全球地热资源的1/6,开发利用潜力巨大。浅层地热能资源年可采量折合7亿吨标准煤;水热型地热资源总量约折合1.25万亿吨标准煤,年可采资源量约折合19亿吨标准煤,其中沉积盆地型地热资源约折合1.06亿吨标准煤;陆域3~10千米埋深的干热岩地热资源潜力超过856万亿吨标准煤,西藏南部、云南西部、东南沿海、华北(渤海湾盆地)、汾渭地堑、东北(松辽盆地)等地区为有利靶区。 受限于资源条件和技术水平,随着中深层地热资源开发规模的进一步扩大,以及深层地热资源的有效动用,我国地热资源的开发利用仍面临挑战。 一是地热资源成因复杂,开发目标选取存在盲目性。由于对地热富集规律、成因机制以及优质资源的分布情况认识不足,广泛存在井底和井口温度低于预估、流量不足以支撑项目运行的情况;水热型项目变成干热岩,或者计划的干热岩井打出高温流体也时有发生,为项目的投资与计划带来诸多不确定性。 二是适宜沉积盆地地热资源开发利用的方式不明确,工程技术不适应。我国中东部地区高温地热资源埋深大、工程地质条件复杂、勘探开发工程技术难度大。我国大陆中东部地区地层温度普遍低于美国中西部地区。以5500米深度为例,美国西部大部分地区温度均超过175摄氏度,而我国普遍在75~150摄氏度,要获取高温地热资源需要的钻探深度更大。深层热储具有高温、高硬度、高应力、高致密的特征,热储高效换热裂缝网络创建及井下取热等关键技术是世界性难题,尚在探索阶段。 三是管理监督机制不够健全,缺乏政策及金融支持。一方面,我国地热资源开发利用过程中存在无专门适用法律、多头执法等问题,导致部分地区地热资源的开发利用过程混乱无序。另一方面,与风电、光电等可再生能源发电相比,地热发电具有前期投资高、勘探难度高、技术门槛高等特征。我国尚未颁布专门的地热发电相关的政策法规,地热发电并网未获得电价补贴,地热发电经济性较差。 未来,中国石油应围绕地热资源富集区,规模拓展地热供暖制冷,大力发展地热发电,延伸地热工农业利用产业链,实现2030年地热发电装机容量50兆瓦、地热供暖面积累计5亿平方米,支撑引领中国石油地热产业高质量发展,成为深地地热领域领军企业。 加强地热能资源的勘探与评估,明确深地地热成因机制与热储空间表征。一是加强地热资源的勘探与评估工作,特别是在华北、松辽、鄂尔多斯等潜在地热资源丰富区域。通过深入研究地热资源的富集机理与分布规律,全面掌握地热资源的地质条件、热储特征和资源潜力,为地热能的合理开发和高效利用提供科学依据。二是针对水热型和干热岩两类地热资源的主控因素不清、空间展布不明等难题,研究地热成因的控制机制,建立不同类型地热的评价标准,明确热储空间表征技术体系,优选区带,落实深地地热开发靶区。 借鉴美欧地热科技创新经验,提升关键技术水平。一是借鉴国际成功经验,积极参与和推动钻探提速技术、微地震监测技术、光纤传感技术、高温示踪剂监测技术等关键技术的研发与应用。二是加快深部地热能资源探测和开发技术攻关,为干热岩型地热能规模化、商业化开发利用做好准备。 构建联合实验平台,突破地热能技术瓶颈。一是构建地热能联合实验的平台架构,加强与国内外顶尖科研机构的合作。例如,联合吉林大学摸清地下流体温度场变化,联合隆基股份降低光热利用成本等,以关键技术和核心难题为焦点,尽快突破地热能的技术限制,研发创新技术,为持续开发利用提供支撑。二是构建由中国石油牵头的国家级地热能研发平台。通过国家级科研力量的整合和优化,形成具有国际竞争力的地热能科技创新体系。重点针对ORC发电和温差发电效率、经济性不高的问题,研发新型高效工质、工艺和热电转化效率高的低温热电材料,研制兆瓦级ORC发电、百千瓦级温差发电和热电联供等装备。